JP5343324B2 - 基板構造及びその製造方法 - Google Patents
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Description
CNTは、電気抵抗が低く、機械的強度が高いという優れた性質から、LSIに代表される半導体装置や加速度センサ等の各種センサ、電子デバイスや放熱デバイス等、幅広い分野への適用が期待されている。
CNT成長の核となる触媒微粒子の触媒能は、CNTの成長態様(成長開始の有無、成長速度、CNTの直径等)を決定するものであり、触媒能の異なる触媒微粒子を用いることにより、CNTの成長態様を制御することができる。
また、下地材料としては、Ti,Ta,TiN,TaN,Al,HfN,Mo,TiSiからなる群から選ばれた少なくとも1種を含むものが好適である。
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、説明の便宜上、基板構造の構成をその製造方法と共に詳説する。なお、各実施形態に共通する構成部材等については同符号を付する。
図1は、第1の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
図1(a)に示すように、シリコン基板11上にTiN薄膜12を形成した後、TiN薄膜12上にCo微粒子13及びFe微粒子14を両者が混在化するように堆積する。
詳細には先ず、下地材料をTiNとし、シリコン基板11上に、例えばスパッタ法によりTiN薄膜12を膜厚5nm程度に形成する。
CNTを成長させるには、シリコン基板11を不図示のCVDチャンバー内に設置して450℃に昇温し、原料ガスであるアセチレンとバッファーガスであるアルゴンとの混合ガスをCVDチャンバー内に導入する。
詳細には、上記の混合ガスを、アルゴンに対するアセチレンの分圧を0.0025%としてCVDチャンバー内に導入し、全体の圧力を1kPaとして、Co微粒子13を核としてCNT15を成長させる。この成長条件では、Co微粒子のみからCNTが成長し、Fe微粒子からは殆ど成長しない。
詳細には、上記の混合ガスを、アセチレンに対するアルゴンの分圧を10%としてCVDチャンバー内に導入し、さらに水素を加え、アセチレン・アルゴン混合ガスの分圧を10%とする。全体の圧力を0.1kPaとして、Fe微粒子14を核としてCNT16を成長させる。
詳細には、上記の混合ガスを、アセチレンに対するアルゴンの分圧を0.0025%としてCVDチャンバー内に導入し、全体の圧力を1kPaとし、成長温度を450℃に設定すれば良い。これにより、Co微粒子、Ni微粒子をそれぞれ核として、CNT15,16を1回のCVD工程により成長させることができる。また、この場合は成長温度を低いままに抑えることが可能となる。
図2は、第2の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
図2(a)に示すように、シリコン基板11上にTiN薄膜12を形成した後、TiN薄膜12上にCo微粒子13、Fe微粒子14及びNi微粒子21をこれらが混在化するように堆積する。
詳細には先ず、下地材料をTiNとし、シリコン基板11上に、例えばスパッタ法によりTiN薄膜12を膜厚5nm程度に形成する。
CNTを成長させるには、シリコン基板11を不図示のCVDチャンバー内に設置して450℃に昇温し、原料ガスであるアセチレンとバッファーガスであるアルゴンとの混合ガスをCVDチャンバー内に導入する。
詳細には、先ず、アセチレンとアルゴンの混合ガスを、アルゴンに対するアセチレンの分圧を0.005%としてCVDチャンバー内に導入し、全体の圧力を1kPaとして、Co微粒子13を核としてCNT22を成長させる。また、Ni微粒子21を核としてCNT23を成長させる。この成長条件では、Co微粒子及びNi微粒子のみからCNTが成長し、Fe微粒子からは殆ど成長しない。
詳細には、成長温度を600℃に上げ、上記の混合ガスを、アルゴンに対するアセチレンの分圧を10%としてCVDチャンバー内に導入し、全体の圧力を1kPaとして、Fe微粒子14を核としてCNT24を成長させる。
詳細には、上記の混合ガスを、アセチレンに対するアルゴンの分圧を10%としてCVDチャンバー内に導入し、全体の圧力を1kPaとし、成長温度を600℃に設定すれば良い。これにより、Co微粒子13、Fe微粒子14及びNi微粒子21をそれぞれ核として、CNT22,23,24を1回のCVD工程により成長させることができる。
図3は、第3の実施形態による基板構造の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
図3(a)に示すように、シリコン基板11上にTiN薄膜12を形成した後、TiN薄膜12上に大きさの相異なる2種類のFe微粒子31,32を両者が混在化するように堆積する。
詳細には先ず、下地材料をTiNとし、シリコン基板11上に、例えばスパッタ法によりTiN薄膜12を膜厚5nm程度に形成する。
CNTを成長させるには、シリコン基板11を不図示のCVDチャンバー内に設置して590℃に昇温し、原料ガスであるアセチレンとバッファーガスであるアルゴンとの混合ガスをCVDチャンバー内に導入する。
詳細には、アセチレンとアルゴンの混合ガスを、アルゴンに対するアセチレンの分圧を10%としてCVDチャンバー内に導入し、さらに水素により混合ガスをアセチレン・アルゴン混合ガスを0.2%に希釈し、全体の圧力を0.1kPaとして、Fe微粒子31を核としてCNT33を成長させる。この成長条件では、主にFe微粒子31のみからCNTが成長し、Fe微粒子32からは殆ど成長しない。
詳細には、上記の混合ガスを、アルゴンに対するアセチレンの分圧を10%としてCVDチャンバー内に導入し、さらに水素により混合ガスをアセチレン・アルゴン混合ガスを20%に希釈し、全体の圧力を1kPaとして、Fe微粒子32を核としてCNT34を成長させる。この成長条件では、Fe微粒子32のみからCNTが成長し、Fe微粒子31からは殆ど成長しない。
本実施形態では、第1の実施形態で説明した2種類の異なる元素から触媒微粒子を形成する手法を、配線構造のビア部に適用した場合を例示する。
図4は、第4の実施形態による配線構造のビア部の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
次に、ビア孔103の底部で露出するCu配線101上に、例えばスパッタ法により、Ta薄膜104及びTiN薄膜105をそれぞれ膜厚15nm程度及び5nm程度に順次堆積する。ここで、TiN薄膜105がCNTの形成をサポートするための下地材料であり、Ta薄膜104がCu配線101のCuの拡散を防止する拡散防止層である。最終的にはCNT成長後にCMPで研磨を行うため、Ta及びTiNは基板全面に堆積しても良い。
詳細には、ビア孔103内を含む全面に、触媒微粒子106としてCo微粒子及びNi微粒子を両者が混在化するように堆積する。ここでは図示の便宜上、Co微粒子及びNi微粒子をまとめて触媒微粒子106として図示する。
ここでは、例えばレーザーアブレーション法によりCo微粒子及びNi微粒子を生成し、例えばインパクタを用いて平均粒径(直径)が揃えられたCo微粒子及びNi微粒子を両者が混在化するようにTiN薄膜105上に1層堆積する。インパクタを用いた場合、ビア底に堆積する際の微粒子の指向性が高いため、ほとんどビアの側壁に微粒子は付着しない。本実施形態では、平均直径が1nm〜30nmの範囲内の値、ここでは共に4nm程度に制御され、直径分布の標準偏差が共に1.5以内、ここでは共に1.3程度に制御されたCo微粒子及びNi微粒子をTiN薄膜105上に堆積する。
詳細には、アセチレンとアルゴンの混合ガスを用い、アルゴンに対するアセチレンの分圧を0.0025%としてCVDチャンバー内に導入し、成長温度を450℃、全体の圧力を1kPaとしてCVD法を実行する。以上ように1種類のCVD条件で実行することにより、TiN薄膜105上に堆積した触媒微粒子106を核としてCNT107を1μm程度の高さに成長させる。このようなCVD条件を用いることにより、TiN薄膜105上以外の層間絶縁膜102上からはCNTを成長させない選択成長が可能である。
なお、層間絶縁膜102上に存する触媒微粒子106の残渣を除去することが必要な場合には、リフトオフ法等により触媒微粒子106を除去すれば良い。
図4(a)〜(e)の工程を繰り返し実行することにより、例えば図5に示すような配線構造が形成される。
前記基板の上方の所定領域に形成された下地材料と、
前記所定領域に形成された触媒材料と、
前記触媒材料上に形成された炭素元素からなる線状構造体と
を含み、
前記触媒材料は、それぞれ異なる触媒能を有する複数種の触媒微粒子が混在化してなることを特徴とする基板構造。
前記所定領域に触媒材料を形成する工程と、
前記触媒材料を核として炭素元素からなる線状構造体を成長させる工程と
を含み、
前記触媒材料を、それぞれ異なる触媒能を有する複数種の触媒微粒子を混在化させて形成することを特徴とする基板構造の製造方法。
12,105 TiN薄膜
13 Co微粒子
14,31,32 Fe微粒子
15,16,22,23,24,33,107 CNT
21,Ni微粒子
101 Cu配線
102 層間絶縁膜
103 ビア孔
104 Ta薄膜
106 触媒微粒子
110 ビア部
Claims (11)
- 基板と、
前記基板の上方の所定領域に形成された、Ti,Ta,TiN,TaN,Al,HfN,Mo,TiSiからなる群から選ばれた少なくとも1種を含む下地材料と、
前記所定領域に形成された触媒材料と、
前記触媒材料上に形成された炭素元素からなる線状構造体と
を含み、
前記触媒材料は、Fe,Ni,Co,Au,Ag,Cuからなる金属群から選ばれた少なくとも1種の金属と前記下地材料との合金からなる複数種の触媒微粒子が混在化してなることを特徴とする基板構造。 - 前記各触媒微粒子は、それぞれ異なる材料からなることを特徴とする請求項1に記載の基板構造。
- 前記各触媒微粒子は、同一材料からなることを特徴とする請求項1に記載の基板構造。
- 前記各触媒微粒子は、それぞれ大きさが異なるものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の基板構造。
- 触媒能の異なる前記各触媒微粒子の夫々に対応した前記線状構造体が形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の基板構造。
- 基板の上方の所定領域に、Ti,Ta,TiN,TaN,Al,HfN,Mo,TiSiからなる群から選ばれた少なくとも1種を含む下地材料を形成する工程と、
前記所定領域に触媒材料を形成する工程と、
前記触媒材料を核として炭素元素からなる線状構造体を成長させる工程と
を含み、
前記触媒材料を、Fe,Ni,Co,Au,Ag,Cuからなる金属群から選ばれた少なくとも1種の金属と前記下地材料との合金からなる複数種の触媒微粒子を混在化させて形成することを特徴とする基板構造の製造方法。 - 前記各触媒微粒子は、それぞれ異なる材料からなることを特徴とする請求項6に記載の基板構造の製造方法。
- 前記線状構造体を成長させる際に、前記各触媒微粒子の触媒能の相違により、前記各触媒微粒子を核としてそれぞれ異なる成長条件で前記線状構造体を成長させることを特徴とする請求項7に記載の基板構造の製造方法。
- 前記各触媒微粒子は、同一材料からなることを特徴とする請求項6に記載の基板構造の製造方法。
- 前記各触媒微粒子は、それぞれ大きさが異なるものであることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載の基板構造の製造方法。
- 触媒能の異なる前記各触媒微粒子の夫々に対応した前記線状構造体が形成されることを特徴とする請求項6〜10のいずれか1項に記載の基板構造の製造方法。
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